電光子情報材料学
電光子情報材料学
電光子情報材料学

電光子情報材料学分野

教授
好田 誠
助教
石原 淳
特任助教
(研究) 山本 壮太

次世代情報処理や量子情報社会を支えるスピントロニクス
究極の電子スピン制御技術により量子技術の創成に挑む

 

今後さらに必要とされる超高機能情報処理デバイス
現代社会の私たちの快適で便利な暮らしは、日進月歩のエレクトロニクス機器の恩恵にあずかるところが大きいといえます。エレクトロニクス機器の性能は、頭脳の役割を果たす半導体によって支えられています。トランジスタ、ダイオード(整流器)・発光ダイオード(LED)、集積回路(IC, LSI)などの半導体を用いた電子部品が、PC、スマートフォン、テレビなどに組み込まれていることはご存知のとおりです。
半導体素子によって電子の電荷を制御し、情報を処理することで機器をコントロールするエレクトロニクス製品は、デバイスを微細化・集積化することで発展してきましたが、今後さらに、AIやIoTなどの活用が進むにつれ、これまでとは比にならないほどの膨大な情報処理能力が必要となるでしょう。さらなる小型化・高速化・省エネルギー化を推進していくためには、既存の技術に依存しない、新しいデバイスの構築が求められます。そこで近年大きな関心と注目を集めているのが「スピントロニクス」と「量子技術」です。

ヘリカルスピントロニクスが未来を動かす
これまでの半導体の研究・開発は、電子の「電荷」を制御することに力点を置いてきました。しかし、電子は単に負の電気(量)をもつ粒子ではありません。電子には磁石としての性質であるスピンを併せ持っています。よって、スピンと電荷の両方を利用することで、従来のエレクトロニクスでは実現し得なかった超省電力・超高速なデバイスを創製することができます。
好田研究室では、多くの研究者が障壁と感じていた電子スピンの向きがバラバラとなるスピン緩和を抑制し、長距離まで伝搬できる新たなスピン安定状態=永久スピン旋回状態の電気的制御に成功。
新しい発見・知見を世界に先駆けて次々と発表してきました。電子スピンの回転や回転により生まれる空間構造を自在に制御することで、電荷のみでは実現できない新しい機能の実現を目指す、これがヘリカル(回転)+スピントロニクス=「ヘリカルスピントロニクス」です。

あらゆる半導体材料で未知のスピン・量子機能を探求
私たちのもうひとつの取り組みが、さまざまな半導体材料を用いる新しいスピントロニクス機能の探求です。シリコンやガリウムヒ素(GaAs)などの化合物半導体に加え、原子一層の厚さで電流をオン・オフできる原子層物質や酸化物など、これまでにない機能を持つ半導体材料が近年多く発見されています。
このような多彩な半導体材料が持つ、独自の性質を明らかにすることで、スピンだけでなくバレーと呼ばれる新しい自由度など、これまでのエレクトロニクスでは未活用だった原理に基づく新機能を生み出せる可能性があります。これまで誰にも知られていなかった現象と世界で初めて対峙できるのが研究の醍醐味。好田研究室が目指すのは、次世代情報処理や量子技術などの未来技術への貢献、そして夢を夢で終わらせないための努力と挑戦です。

Projects

電子スピン波を活用した次世代情報処理基盤の確立

スピン自体もこれまでスピンの上向きと下向きのみが活用され磁化反転などに応用されてきました。
スピンが空間的に回転しながら伝搬することで生まれる電子スピン波は上向き・下向きのみのスピンとは全く異なる性質を持つことから、現在の半導体集積回路で問題となる微細化の限界による電力消費量の急増や信号遅延の問題を解決できる切り札になる可能性があります。
この状態を利用することで量子情報を長時間保持したりすることができるようになり、超高速・超省エネの量子コンピュータや次世代情報処理デバイスへの応用が期待されています。

ヘリカルスピントロニクスの探求と学理構築

私たちは半導体においての電子スピンの空間構造を活用する新しい研究領域「ヘリカルスピントロニクス」の開拓に挑戦しています。
半導体量子構造のスピン軌道相互作用に基づく有効磁場を精密制御することで、スピン緩和の抑制とスピン空間構造の安定化を両立できる永久スピン旋回状態を活用します。安定状態となる電子スピン波の生成・制御・検出技術を確立することで、波の多重性や並列性を活用した次世代量子情報処理に向けた古典-量子融合を目指します。
電子スピン波物性の舞台となるIII-V族半導体量子構造から原子層物質などの磁気伝導や時間空間スピンダイナミクスを明らかにし、量子未来社会を支える基盤技術を構築していきます。

Topics

好田研-QST協創ラボ 合同ワークショップ

好田研究室の研修旅行は、ほかの研究室とはひと味違います。それは、好田教授がプロジェクトリーダーを務める『国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構 量子機能創製研究センター 光スピン量子プロジェクト(QST協創ラボ)』の研究者の方々との合同研修旅行だから。
昨秋の訪問先は、紅葉の東松島。美しい海岸の風景や美味しい海の幸に舌鼓をうちながらも、いつもよりも少し背筋が伸びているメンバーたち。ほどよい緊張感の中、ワークショップがスタート。
研究内容についてそれぞれがプレゼンをして、意見交換したり、助言をいただいたり。刺激をもらって、さらに研究分野についての知識を深めます。社会人研究者の方々とコミュニケーションが図れる貴重な機会。進路についてもアドバイスをもらえて気合が入ったメンバーも。とても盛り上がりました!

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